基于激光雷達(dá)技術(shù)的道路車輛超限檢測技術(shù)應(yīng)用分析

■林 典

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

超限超載治理事關(guān)人民生命財產(chǎn)安全，各級政府和交通管理部門均建設(shè)了大量超限檢測基礎(chǔ)設(shè)施。 隨著科技的發(fā)展，治超從單純依靠人力的模式，向無人化、智能化的科技非現(xiàn)場執(zhí)法轉(zhuǎn)變，道路貨運車輛超限不停車檢測系統(tǒng)（簡稱“非現(xiàn)場超限檢測”）是取得執(zhí)法依據(jù)的重要工具。 強制性國家標(biāo)準(zhǔn)中對不同車型的輪廓尺寸限值作了明確規(guī)定[1]，但在傳統(tǒng)的治超系統(tǒng)中，受限于技術(shù)、設(shè)備、場景等因素，僅僅能針對重量進(jìn)行檢測和判定，而對車輛超長、超寬、超高等輪廓超限行為難以精準(zhǔn)測量，易引發(fā)安全事故[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于TOF 技術(shù)原理的激光雷達(dá)已在工業(yè)測量、自動駕駛等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]，在車檢線、部分固定治超站等已采用激光雷達(dá)進(jìn)行靜態(tài)外輪廓測量[4]，而對于非現(xiàn)場治超動態(tài)條件下的外輪廓測量，尚未形成成熟的應(yīng)用方法，也沒有相關(guān)的國家檢測標(biāo)準(zhǔn)。基于此，本文結(jié)合福建省實施非現(xiàn)場治超檢測試點工程中的應(yīng)用分析，提出影響非現(xiàn)場治超激光雷達(dá)的主要因素，并總結(jié)合理有效的技術(shù)要求，為后續(xù)大規(guī)模實施非現(xiàn)場治超輪廓檢測及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供技術(shù)依據(jù)。

1 技術(shù)原理

激光雷達(dá)測量車輛輪廓是依據(jù)激光脈沖飛行時間TOF（Time of flight）來獲取被檢測車輛表面的點云信息，從而獲取外輪廓曲線，并通過點云計算尺寸。 車輛的外輪廓曲線由極坐標(biāo)系下的無數(shù)個點構(gòu)成的，點的坐標(biāo)由（L，θ）兩個參數(shù)構(gòu)成。 其中距離L 通過激光測距原理測得，通過計時器測算激光由發(fā)射到接收到反射回波的時間差，再乘上光速獲得。當(dāng)激光發(fā)射器發(fā)出激光光束后，內(nèi)部計時器記錄時間t1；當(dāng)激光光束碰到物體后，其部分光束原路返回并達(dá)到激光接收器，內(nèi)部計時器記錄時間t2，則激光測距儀與物體之間的距離為：

而角度θ 是在處理算法上通過數(shù)據(jù)比對識別出第一個有效掃描范圍的測量點，并依次匹配其所對應(yīng)的距離L，這樣完成一個完整有效點的測量，最后采用算法將所有有效點進(jìn)行粗大誤差篩除后，取各點平均值繪制輪廓曲線[5]。

2 系統(tǒng)方案

在非現(xiàn)場超限檢測中使用的激光雷達(dá)可分為單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)2 種，在結(jié)構(gòu)和布置上有所不同，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)參數(shù)比對

2.1 單線激光雷達(dá)布置方式

由于建立三維車輛輪廓點云的方法不同，單線雷達(dá)和多線雷達(dá)在非現(xiàn)場超限檢測系統(tǒng)中的布置方式不同， 以一個雙向雙車道的非現(xiàn)場檢測點為例，采用單線雷達(dá)的典型布置方式如圖1 所示。

圖1 采用單線雷達(dá)的雙向雙車道車輛外輪廓現(xiàn)場檢測點布置方式

單線雷達(dá)的布置方案一般采用3 根L 桿或門架。 位于稱重區(qū)中心線正上方的L 桿上裝有4 個激光雷達(dá)（如道路平整落差小，無中央綠化帶等遮擋物，交界處可優(yōu)化減少1 個激光雷達(dá)）分別安裝在每個車道的兩端， 垂直車輛行駛方向進(jìn)行車道掃描，通過該門架可以得到車輛的寬度和高度信息；稱重區(qū)中心線前后約25 m 的L 桿或門架上各安裝有1個激光器，掃描平面平行于車輛行駛方向，可以得到車輛的長度信息，通過后臺軟件算法，輔助一定的動態(tài)補償參數(shù)，形成三維動態(tài)建模，生成點云圖和車輛輪廓數(shù)據(jù)。 現(xiàn)場安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 單線雷達(dá)現(xiàn)場安裝示意圖

單線激光雷達(dá)的激光源發(fā)出的線束是單線，在角頻率上反應(yīng)靈敏，具有掃描速度快、分辨率強、可靠性高的優(yōu)點，但因為只能作平面掃描，需配置多臺激光聯(lián)動測量。 現(xiàn)場安裝時對安裝調(diào)試工藝要求高，雷達(dá)需盡量達(dá)到水平，并同時測量多個外部環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)部調(diào)校，具體應(yīng)注意做到：所有雷達(dá)的安裝高度需設(shè)置為5～7 m 左右；激光雷達(dá)激光掃描區(qū)域不可以有遮擋，可去掉遮擋或調(diào)整雷達(dá)避開遮擋；盡量安裝在門架上，以滿足長度測量激光的靈敏度要求；可增加牢固的外罩以及穩(wěn)定牢固的支架來減少振動對雷達(dá)測量的影響，注意調(diào)整保護(hù)罩角度，避免陽光直射。

2.2 多線激光雷達(dá)布置方式

多線雷達(dá)的布置方案（圖3）一般在安裝抓拍相機(jī)的稱重區(qū)中心線前或后側(cè)約25 m 的L 桿或門架上安裝1 臺激光雷達(dá)，斜向覆蓋檢測區(qū)域；遇到路面不規(guī)則或者有遮擋物的情況，需在前后各安裝1 臺。 雷達(dá)掃描距離最多可達(dá)到300 m，其通過對掃描區(qū)域內(nèi)的車輛點云進(jìn)行三維動態(tài)建模，提取車輛外輪廓尺寸、車輛特征等信息。 現(xiàn)場安裝示意圖如圖4 所示。

圖3 采用多線雷達(dá)的雙向雙車道車輛外輪廓現(xiàn)場檢測點布置方式

圖4 多線雷達(dá)現(xiàn)場安裝示意圖

應(yīng)用在治超上的多線激光雷達(dá)一般采用固態(tài)雷達(dá)，常用線束達(dá)到300 線以上，有MEMS、FLASH、OPA 等多種技術(shù)路線，可識別物體的高度信息并進(jìn)行三維建模[6]，產(chǎn)品具有探測距離遠(yuǎn)，掃描點云密度高，安裝調(diào)試簡易，維護(hù)方便等特點，產(chǎn)品造價略高但可拓展性強，2 m 范圍內(nèi)有一定的探測盲區(qū)，因現(xiàn)場環(huán)境受限，在線性路面上車流量大的時候會出現(xiàn)遮擋。 在選型及安裝調(diào)試過程中應(yīng)注意做到：車道數(shù)量多，車況復(fù)雜的點位謹(jǐn)慎選擇多線激光，安裝選點應(yīng)盡量選擇視野開闊無遮擋的地方，避開前后的樹枝，桿件等遮擋物；雷達(dá)安裝最佳高度為6 m，至少不低于5.5 m，以減少貨車、掛車等大件運輸車對雷達(dá)檢測區(qū)域的遮擋；根據(jù)路面寬度及行車方向調(diào)整好測量角度，一般雷達(dá)固定后水平方向與車道線夾角45°，垂直方向下傾10°～12°時效果最佳。

3 試驗研究

2022 年以來，福建省在各地市開展了國省道非現(xiàn)場超限檢測工程的推廣實施，目前在大多數(shù)點位均配置了不同品牌、不同方案的車輛外輪廓檢測系統(tǒng)。 為研究設(shè)計方案的測量準(zhǔn)確度，確定技術(shù)要求，使用標(biāo)準(zhǔn)參考車輛對2 個品牌的2 種不同方案（單線雷達(dá)和多線雷達(dá)）外輪廓測量進(jìn)行了試驗。

試驗使用3 種參考標(biāo)準(zhǔn)車輛在無雨霧干擾天氣狀態(tài)下進(jìn)行，包括1 輛二軸小型貨車、1 輛三軸剛性貨車和1 輛六軸鉸接貨車； 為排除其他干擾因素，參考車輛通過檢測區(qū)時勻速直線行駛。 在試驗前，使用激光測距儀和鋼卷尺測量靜態(tài)下參考車輛實際外廓尺寸，得到長度、寬度和高度的參考標(biāo)準(zhǔn)值。 隨后在不同運行速度下，由外輪廓測量系統(tǒng)測量行駛中車輛的外輪廓值，每個速度測量3 次，與參考標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對得到測量誤差。 試驗結(jié)果如表2、3 所示，表中長、寬、高尺寸各行依次對應(yīng)二軸、三軸、六軸貨車，單線及多線雷達(dá)分別選用一款品牌產(chǎn)品。

表2 車輛外輪廓測量試驗結(jié)果（單線雷達(dá)）

表3 車輛外輪廓測量試驗結(jié)果（多線雷達(dá)）

試驗結(jié)果顯示，無論是單線雷達(dá)還是多線雷達(dá)，動態(tài)下對車輛外輪廓測量均有一定誤差，滿足設(shè)計要求的長度最大測量誤差不大于±300 mm，寬度最大測量誤差不大于±100 mm，高度最大測量誤差不大于±50 mm范圍；單線雷達(dá)寬度測量誤差略小于多線雷達(dá)。

現(xiàn)行國家校準(zhǔn)規(guī)范[9]為路面條件良好的低速勻速狀態(tài)下的校準(zhǔn)要求，但受車速、路面狀況、車輛不規(guī)范駕駛等因素影響，實際路面動態(tài)測量系統(tǒng)誤差與現(xiàn)行國家校準(zhǔn)規(guī)范仍有差距。 當(dāng)前廣東、浙江、江西等多省份已經(jīng)相繼出臺了關(guān)于高速動態(tài)輪廓檢測的地方標(biāo)準(zhǔn)，建議福建省也可根據(jù)非現(xiàn)場治超的實際應(yīng)用場景制定相關(guān)技術(shù)及校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。

4 測量影響因素分析

對于治超系統(tǒng)而言，需要車輛外輪廓測量結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度和可靠性，以提高作為超限執(zhí)法依據(jù)的可信度。 因此，對于外輪廓測量系統(tǒng)，需要考察其重復(fù)性誤差和示值誤差2 個指標(biāo)。 系統(tǒng)的性能取決于使用的激光雷達(dá)本身的性能，以及用于三維建模和尺寸提取的算法。

在非現(xiàn)場治超檢測的場景下，激光發(fā)射和接收中，由于激光雷達(dá)本身特性和外部環(huán)境因素共同導(dǎo)致發(fā)出的激光在抵達(dá)接收機(jī)時具有不同程度的能量衰減，同時還會改變光點的形態(tài)，造成點云的不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響車輛外輪廓測量的準(zhǔn)確度。 非現(xiàn)場超限檢測時的車輛點云如圖5 所示。 影響激光衰減的因素可分為激光雷達(dá)自身屬性、檢測目標(biāo)的激光反射性質(zhì)以及大氣透射率這三方面[7-8]，測距衰減公式為：

圖5 非現(xiàn)場超限檢測激光雷達(dá)點云

式中，R 為激光測量距離，K 為激光雷達(dá)自身特性，τ 為大氣穿透率，ρTAR為探測目標(biāo)的反射率。

對于激光雷達(dá)自身特性而言，其測距的準(zhǔn)確度主要與信噪比密切相關(guān)， 當(dāng)信噪比高于一定閾值時，測量數(shù)據(jù)的分布可較好地服從正態(tài)分布；當(dāng)信噪比降低，測試數(shù)據(jù)的分布范圍變大，重復(fù)性誤差增大。 測距的準(zhǔn)確度取決于飛行時間的測量準(zhǔn)確度，即發(fā)射和接收脈沖觸發(fā)時間的準(zhǔn)確度以及晶振的頻率穩(wěn)定度；發(fā)射脈沖和晶振頻率穩(wěn)定度由內(nèi)部電路決定，而接收脈沖觸發(fā)時間準(zhǔn)確度與激光脈沖的波形相關(guān)。 在外部，大氣中的氣體的吸收、氣溶膠和各種離散的隨機(jī)分布粒子等都會對激光產(chǎn)生衰減效應(yīng)，大氣中不均勻的溫度則會引起大氣湍流，會引起激光的閃爍、膨脹和漂移等效應(yīng)，這些效應(yīng)都會給激光光束帶來傳輸損耗，最終使得到達(dá)被檢測目標(biāo)時激光光束強度減弱，因此、晴、雨、雪、霧、霾都會造成點云的失真。 此外，諸如不同顏色車身、金屬和非金屬的不同材料、不同濕度的車輛外表面，也會造成被測車輛反射率不同，引起點云的變化。

由于非現(xiàn)場治超檢測時， 車輛處于運動狀態(tài)，車輛的運行速度、加速度、偏航等參數(shù)對飛行時間的計算造成較大的不確定性；車輛在運行中造成車身上的光影變化、車后的水霧，以及非測量主體（如非機(jī)動車、行人）的干擾，道路振動進(jìn)一步造成了測量不確定度的增大。 基于上述影響因素，在路面安裝點位選擇時，應(yīng)盡量選擇道路平直，平整度好，無坑洼，散水性好的路面，避開如云霧的山谷、坡面等易產(chǎn)生強對流的路面， 避開路況復(fù)雜的交叉路口，做好標(biāo)志標(biāo)線規(guī)劃，加強標(biāo)牌引導(dǎo)，分離機(jī)動車與非機(jī)動車道，施劃實線，盡量減少跟車及并行的出現(xiàn)概率，減少非機(jī)動車及行人的干擾。

5 結(jié)語

實施公路貨運車輛的非現(xiàn)場超限檢測是提升國家治理能力的重要工程，也是智慧交通的重要環(huán)節(jié)。 使用激光雷達(dá)為原理的測量系統(tǒng)作為車輛外輪廓檢測的工具，可以有效解決車輛外輪廓超限動態(tài)檢測的難題。 本文通過對激光雷達(dá)的原理、布置方案、影響因素的分析，結(jié)合福建省實施非現(xiàn)場治超檢測點建設(shè)的實際， 對選型和安裝要點進(jìn)行了闡述；通過試驗，獲得了多種類型輪廓檢測系統(tǒng)的測量誤差特性。 下一步，將選取更多樣本，在各類環(huán)境條件、 不同行駛行為下進(jìn)行進(jìn)一步的試驗研究，為制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。